В каких свойствах проявляется анизотропия
Данная статья рассказывает, что анизотропия – это неравенство значений некоей физической величины вдоль различных направлений твердого тела. Раскрывает, что вызывает анизотропию, где она встречается, как применяется. Также вкратце дано описание коэффициента анизотропии.
Определение анизотропии
Для начала дадим определение этого понятия. Анизотропия – это различие свойств и параметров объекта в разных направлениях. Получается слегка непонятно и явно требует пояснения. Под свойствами понимаются любые характеристики веществ – упругость, скорость звука, показатель преломления, теплопроводность, электропроводность. Таким образом, например, для скорости звука анизотропия – это такое явление, когда поперек каменной глыбы звуковые волны распространяются с другой скоростью, чем вдоль. В данном случае это свойство помогает определить породы, залегающие в глубине земной коры. Естественное распространение при землетрясении, например, или при специально созданном сильном ударе даст представление о плотности и угле залегания разных полезных ископаемых.
Чем обусловлена анизотропия?
При упоминании этого термина чаще всего имеется в виду анизотропия кристаллов. Этим разделом занимается физика твердого тела. И любой ученый из данной области прежде всего знает: свойства вещества зависят не только от того, из каких атомов оно состоит, но и в каком порядке и какими частями между собой эти атомы соединены. И самое главное: они зависят от группы симметрии получающейся структуры. Всего их тридцать две. Группа симметрии показывает, сколько и каких движений надо совершить, чтобы те же элементы наложились друг на друга и совпали полностью. К этим действиям относятся: поворот вокруг оси (на определенный угол), отражение от плоскости или точки, инверсия. Группа симметрии и показывает, какой будет анизотропия кристаллов. Вещества с кубической структурой, например, этим свойством не обладают. Параметры таких твердых тел одинаковы во всех направлениях.
Какой угол нужен для анизотропии?
Выше мы привели пример, когда распространение звука неодинаково во взаимно поперечных направлениях. Это частный случай того, как проявляется анизотропия свойств, который называется термином “оротропия”. Однако симметрия кристаллов бывает не только кубической или ромбической. Она бывает тригональной, когда повтор элементов структуры происходит при повороте на треть круга, или даже гексагональной, тогда угол поворота равняется одной шестой круга. Симметрия низшей категории, моноклинная, дает возможность свойствам быть неодинаковыми в кристалле в трех взаимно не перпендикулярных направлениях. Таким образом, анизотропия – это качество кристаллических тел, которое может проявляться под любыми углами как в одной плоскости, так и в объеме.
Все ли свойства должны обладать анизотропией?
Этот вопрос закономерен. Если одно свойство в данном кристалле обладает анизотропией, должны ли другие параметры следовать этому примеру? Необязательно. Возьмем, например, кристаллы, которые используются в приборах ночного видения. Они способны превращать невидимый инфракрасный свет в видимый диапазон (чаще всего получается картинка разных оттенков зеленого). В таких материалах анизотропия – это основное свойство, которое подходит для применения и может быть полезно. Причем, чтобы эффект был наилучшим, кристаллы должны быть повернуты под определенным углом (для этого их специально выращивают строго определенным образом). В других направлениях преобразование излучения меньше или совсем отсутствует. При этом теплопроводность, скорость звука или электродиффузия в них распространяется равномерно во всех направлениях. Бывает и так, что для одного свойства угол различия его характеристик один, а для другого – другой. Но это уже совсем экзотические случаи.
Где еще бывает анизотропия?
Когда человек слышит «кристаллы», обычно представляет себе полупрозрачные столбики кварца или аметиста. Некоторые девушки наверняка думают об украшениях. Однако кристаллическим может быть любое твердое тело. Изделия из железа, алюминия, меди, олова тоже состоят из кристаллов, только очень маленьких. И в каждой такой вещи на микроуровне также наблюдается анизотропия металлов. Однако свойства, которые распространяются в перпендикулярных направлениях по-разному, весьма специфические и в повседневной жизни незаметны. Например, в кубических кристаллах железа и алюминия модули упругости Юнга меняются в зависимости от выбранной оси. А линейное расширение олова в разных направлениях различается почти в два раза. Однако такие подробности, как правило, не требуется учитывать каждый день. Ведь анизотропия металлов и её последствия, как правило, закладываются во все возможные их применения на стадии проектирования вещей, зданий, самолетов, машин.
Как вычислить анизотропию?
Все написанное выше, мы надеемся, достаточно ясно рассказало читателю, что такое анизотропия. Однако возникает и другой вопрос: как посчитать, насколько различаются свойства вдоль несовпадающих направлений в твердых телах? Для этого есть коэффициент анизотропии. Сразу оговоримся, для каждой величины он вычисляется по-своему. Показатели, испытывающие анизотропию, могут быть непохожи друг на друга. Свойства механической или квантовой системы различаются кардинально, что приемлемо для одной, для другой будет невыполнимо или вовсе невозможно. Поэтому говорить о некоем общем для любой величины коэффициенте не стоит. К тому же чаще всего вычислить его чисто теоретически не представляется возможным, эту величину получают только опытным путем. Коэффициент анизотропии включает соотношение значений исследуемой величины в разных направлениях. Иногда этот показатель включает угол между выбранными направлениями. Правда, чаще всего лишь как показатель у основания значения величины. Например, Кху показывает, что данный коэффициент относится к разнице значений физической величины вдоль осей икс и игрек.
Источник
Анизотропия и металлография
Анизотропия (от др. uреч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) – зависимость свойств материала (например, механических: предела прочности, относительного удлинения, твердости, износостойкости и др.) от направления внутри этого материала. Если материал изотропен, то его свойства одинаковы во всех направлениях.
Металлография тесно связана с вопросами анизотропии. По некоторым свойствам материал может быть изотропен, по другим — анизотропен. Материалы могут отличаться степенью анизотропии. Вопрос анизотропности материала связан с выбором направления внутри этого материала. В одном направлении материал может рассматриваться как анизотропный, в других – как изотропный. Анизотропия в металлографии может рассматриваться на разных масштабных уровнях. Например, на микроуровне (внутри зерна) материал может быть анизотропен, а на другом – изотропен (например в объеме образца).
Анизотропия может быть разделена на естественную и искусственную.
Примером естественной анизотропии на микроуровне является анизотропия элементарной кристаллической ячейки. Если рассматривать отдельные направления внутри элементарной ячейки, то проявляется анизотропия: различные направления имеют различные свойства на масштабном уровне, определяющемся размерами кристаллической решетки. В качестве примера можно привести монокристалл медного купороса (рис.1). Степень анизотропии кристаллов кубической сингонии гораздо выше. Если рассматривать направления осей x, у и z, то монокристалл поваренной соли изотропен (рис.1б). Овализованный кристалл поваренной соли имеет изотропную форму.
Рисунок 1. Гидратированные кристаллы медного купороса (а); естественный и овализованный кристаллы хлорида натрия (б).
Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия. Например, усилие сдвига, скорость роста или растворения кристалла зависят от направления. Пример анизотропной структуры электролитического покрытия меди представлен на рис. 2. Кристаллиты покрытия растут на подложке в определенном направлении и все они ориентированы в пространстве одинаково. Скорость роста кристаллов максимальна в направлении, перпендикулярном подложке.
Рисунок 2. Структура электролитического покрытия меди.
Молекулярные кристаллы (белки или полимеры) также являются анизотропными объектами. Изделия, созданные на основе полимеров могут быть как анизотропными (например искусственные нити для производства тканей), так и изотропными (изделия, получаемые при горячем формообразовании полимерных порошков). Сам порошок (рис.3) можно считать изотропным.
Рисунок 3. Порошок политетрафторэтилена; освещение по методу темного поля.
Помимо белков, естественная анизотропия свойственна другим материалам биологического происхождения. Например: слюда, костные и мышечные ткани человека и животных, древесина и листья, трава и т.д.
Анизотропия материалов связана либо с естественной анизотропией материала, либо создается искусственно для придания материалу определенных свойств. Поликристаллические материалы (металлы, сплавы) принято считать изотропными, поскольку кристаллиты, составляющие металл, ориентированы хаотично относительно внешних и внутренних направлений в материале. Анизотропия в металлических материалах создается искусственно. Это, например, специальные условия кристаллизации (рис.4) (направленный теплоотвод). На рис.4а показана структура литой меди; кристаллиты вытянуты в направлении теплоотвода. Структура на рис.4б не имеет направленности. Анизитропную структуру можно получить при деформации – прокаткой и волочением. Например, на рис.5а показана структура прокатанной стали. Видны полосы перлита (темные), вытянутые вдоль направления деформации. Структура, показанная на рис.5б тоже состоит из перлита и феррита, но такую структуру можно считать изотропной, потому что феррит и перлит равномерно распределены в объеме стали. Сам перлит анизотропен, потому что имеет пластинчатое строение (в противоположность зернистому перлиту, который является изотропным).
Анизотропия, созданная тпластической деформацией, сохраняется в изделии или материале после прекращения воздействия и определяет комплекс его физико-механических свойств. Например, после холодной прокатки на 90% и отжига при 8000С медь имеет различное относительное удлинение: вдоль направления деформации – 40%, под углом 450 к направлению деформации – 75%.
Рисунок 4. Макроструктура литья: а – анизотропия макроструктуры меди за счет направленного теплоотвода; б – изотропная структура меди, формирующаяся при равномерном теплоотводе.
Рисунок 5. Анизотропия структуры углеродистой стали, созданная холодной прокаткой (а), и однородная структура, полученная нормализацией (б).
Композиционные материалы представляют собой искусственные анизотропные материалы, созданные, как правило, из двух и более материалов, часто различной природы. Композиционный материал состоит из армирующего прочного материала (как правило анизотропного) и связующего изотропного вещества с более низкими свойствами. Часто в качестве армирующего элемента используются высокопрочные волокна – графитовое или борное волокно, стекловолокно и т.д. (рис.6 а). Понятно, что в продольном сечении материал можно рассматривать как анизотропный (рис. 6 б), в поперечном сечении – как изотропный, т.к. сечение волокна сферическое (рис. 6в). Из элементарных соображений понятно, что свойства композиционного материала вдоль волокна будут существенно отличаться от свойств в поперечном направлении. Этот случай анизотропии представляет собой частный случай анизотропии под названием ортотропия (от др. греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) —различие свойств материала по взаимно перпендикулярным направлениям.
Рисунок 6. Анизотропия композиционных материалов: а – борное волокно; б – волокно в составе композита, продольное сечение материала; в – поперечное сечение материала.
Источник
Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела, свойства же другой категории (механические модули, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности, удельное сопротивление, показатель преломления и др.) могут быть различными для разных направлений в твердом теле.
Изотропностью называется независимость физических свойств тела от направления внутри него. Если такие физические свойства тела, как модуль упругости, коэффициент теплопроводности, показатель преломления и т. п., одинаковы по всем направлениям, то такое тело будет изотропным.
Под анизотропией понимается зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Изотропными являются аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия же является характерной особенностью кристаллов. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллических тел, а только у монокристаллов. Большинство окружающих нас кристаллических тел, например, металлы, являются поликристаллическими, т. е. они состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, ориентированных различным образом. Если в ориентации этих мелких кристалликов нет какого-либо определенного порядка, то данное поликристаллическое тело будет изотропно. Если же в ориентации кристаллических зерен наблюдается упорядоченность (а она может возникнуть при таких методах обработки металлов, как прокатка, протяжка, волочение), то материал называется текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.
В обычных поликристаллических металлах кристаллические зерна настолько малы, что, как правило, различимы лишь при наблюдении в микроскоп. Но при медленном охлаждении расплава металла можно получить крупнозернистый слиток, в котором кристаллические зерна легко рассмотреть невооруженным глазом. Если же применить особую методику охлаждения расплава металла, то можно получить такие образцы, в которых будет находиться всего одно кристаллическое зерно – один кристалл. Такие однокристальные образцы называются монокристаллами.
В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов (самородки золота). Можно получить монокристаллы многих веществ (в том числе и металлов) искусственно. Для этого приходится соблюдать иногда очень тонкую и достаточно сложную технологию.
Наглядным примером анизотропии механической прочности кристалла является способность кристаллов слюды легко расщепляться на тонкие листочки по определенному направлению и обладать достаточной прочностью в перпендикулярном направлении. Монокристаллы некоторых металлов (цинка, висмута, сурьмы) тоже довольно легко скалываются по определенным плоскостям. Плоскость скола при этом представляет собой хорошее зеркало.
Исследования показали, что кристаллы могут обладать анизотропией теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств и пр.
Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. Например, коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней.
Анизотропия скоростей роста обусловливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств проявляется в различии скоростей растворения разных граней кристалла, адсорбционной способности, химической активности разных граней одного и того же кристалла.
Причина анизотропии состоит в том, что кристаллы имеют строго упорядоченное строение. Важнейшим следствием упорядоченной структуры является анизотропия физических свойств кристалла.
Поясним сказанное. На рисунке 2.9 изображена схема расположения атомов в кристалле. Плоскость рисунка совпадает с одной из плоскостей, проходящей через узлы кристаллической решетки. Можно сказать, что кристалл представляет собой пачку таких плоскостей, лежащих как листы бумаги в книге.
Если произвести сечение такого кристалла плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, то в зависимости от ориентации плоскостей сечения густота расположения атомов на них будет различной. На рисунке 2.9 направления секущих плоскостей изображены сплошными линиями. Из рисунка хорошо видно, что плотность «населения» плоскостей атомами различна; если расположить эти плоскости в порядке убывания поверхностной плотности атомов, то получится следующий ряд:
(010) (100) (110) (120) (320).
Вместе с тем, видно, что расстояния между смежными секущими плоскостями тем больше, чем плотнее «населенность» их атомами. Легко представить себе, что в наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояния между ними меньше.
С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем мало заселенные плоскости, будут слабее связаны друг с другом. Следовательно, наш условный кристалл обладает анизотропией механической прочности: легче всего его расколоть по плоскости (010).
На основании изложенного можно сделать обобщение, что и другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) могут быть различными по разным направлениям.
Численные значения некоторых физических свойств кристаллов для разных направлений могут иногда различаться на несколько порядков. У кристаллов графита, например, удельное электрическое сопротивление по направлению [001] почти в сто раз больше, чем по перпендикулярному направлению.
Один и тот же кристалл может быть изотропным в отношении одного свойства и анизотропным в отношении другого. Например, кристалл поваренной соли изотропен относительно диэлектрической проницаемости, коэффициента теплового расширения, показателя преломления, но анизотропен в отношении механических свойств и в отношении скоростей роста и растворения граней.
Анизотропия физических свойств кристаллов используется в технике, базирующейся на применении монокристаллов (полупроводниковая электроника, электро- и радиотехника, кристаллооптика и др.). Монокристаллические элементы полупроводниковых приборов, стабилизаторов частоты, пьезодатчиков, оптических приборов изготовляются со строгим учетом кристаллографического направления. Для этих целей нужно изготовить монокристаллический образец не только определенной чистоты, формы и размеров, но и с нужной ориентацией кристаллографических осей.
Источник